詳解Java并發(fā)工具類(lèi)之CountDownLatch和CyclicBarrier

更新時(shí)間：2023年06月19日 14:40:20 作者：nerkeler

在JDK的并發(fā)包中，有幾個(gè)非常有用的并發(fā)工具類(lèi)，它們分別是：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore和Exchanger,本文主要來(lái)講講其中CountDownLatch和CyclicBarrier的使用，感興趣的可以了解一下

CountDownLatch（倒計(jì)時(shí)門(mén)閂）：它允許一個(gè)或多個(gè)線程等待其他線程完成操作后再繼續(xù)執(zhí)行。它通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，線程通過(guò)調(diào)用 countDown() 方法來(lái)減少計(jì)數(shù)器的值，await()方法進(jìn)行阻塞等待計(jì)數(shù)器減少，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到零時(shí)，等待的線程將被釋放。
CyclicBarrier（循環(huán)屏障）：它允許一組線程互相等待，直到到達(dá)一個(gè)共同的屏障點(diǎn)，然后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。與CountDownLatch不同的是，CyclicBarrier的計(jì)數(shù)器可以重復(fù)使用（reset()方法），當(dāng)所有等待線程都到達(dá)屏障點(diǎn)后，計(jì)數(shù)器會(huì)重置，線程可以繼續(xù)下一次等待。
Semaphore（信號(hào)量）：它用于控制對(duì)某個(gè)資源的訪問(wèn)權(quán)限。Semaphore維護(hù)了一組許可證，線程在訪問(wèn)資源前需要獲取許可證，如果許可證不可用，則線程必須等待，直到有可用的許可證。
Exchanger（交換器）：它提供了一種線程間交換數(shù)據(jù)的機(jī)制。兩個(gè)線程可以通過(guò)Exchanger交換數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個(gè)線程都調(diào)用 exchange() 方法后，他們會(huì)彼此交換數(shù)據(jù)，并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

CountDownLatch

Latch（門(mén)閂）設(shè)計(jì)模式

當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行任務(wù)，然后只有等待所有子任務(wù)全部完成進(jìn)行匯總，程序的門(mén)閂才能打開(kāi)讓程序繼續(xù)往下執(zhí)行。它指定了一個(gè)屏障，只有所有條件都滿(mǎn)足的時(shí)候，門(mén)閥才能打開(kāi)。

比如小明和小紅相約周末去爬山，約定在人民廣場(chǎng)碰頭，然后一同出發(fā)去爬山，他們各自從家里出發(fā)，無(wú)論是其中某一個(gè)先到達(dá)了人民廣場(chǎng)都要等待另一個(gè)到達(dá)之后才可以繼續(xù)進(jìn)行下去，這里的人民廣場(chǎng)碰頭就相當(dāng)于上述的門(mén)閂。

示例

還是使用上面的例子，我們模擬小明和小紅從家出發(fā)，設(shè)定不同的等待時(shí)間模擬到達(dá)人民廣場(chǎng)的路程耗時(shí)。代碼如下

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
 ? ? ? ?final int threadNum = 2;
 ? ? ? ?ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(threadNum);
 ? ? ? ?CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);
?
 ? ? ? ?executorService.execute(() -> {
?
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小明開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?countDownLatch.countDown(); ?// 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小明到達(dá)人民廣場(chǎng)");
?
?
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?executorService.execute(() -> {
?
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小紅開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?countDownLatch.countDown(); ?// 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小紅到達(dá)人民廣場(chǎng)");
?
?
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?countDownLatch.await();
 ? ? ? ?System.out.println("小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山");
 ? ? ? ?executorService.shutdown();
?
 ?  }
?

結(jié)果

小明開(kāi)始出發(fā)
小紅開(kāi)始出發(fā)
小明到達(dá)人民廣場(chǎng) // 2s后打印
小紅到達(dá)人民廣場(chǎng) // 3s后打印
小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山 //3s后打印
?
Process finished with exit code 0

與Join()的區(qū)別

可能這里會(huì)有疑問(wèn)，使用Thread.join()也可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，這與使用CountDownLatch有什么區(qū)別呢？

join()的實(shí)現(xiàn)

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ? ?Thread thread1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?System.out.println("小明開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
 ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?System.out.println("小明到達(dá)人民廣場(chǎng)");
?
 ?  }, "thread1");
 ? ?Thread thread2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?System.out.println("小紅開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
 ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?System.out.println("小紅到達(dá)人民廣場(chǎng)");
?
 ?  }, "thread2");
?
 ? ?thread1.start();
 ? ?thread2.start();
 ? ?thread1.join();
 ? ?thread2.join();
 ? ?System.out.println("小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山");
?
}

結(jié)果

小明開(kāi)始出發(fā)
小紅開(kāi)始出發(fā)
小明到達(dá)人民廣場(chǎng) // 2s后打印
小紅到達(dá)人民廣場(chǎng) // 3s后打印
小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山 //3s后打印
?
Process finished with exit code 0

發(fā)現(xiàn)使用join()實(shí)現(xiàn)和countDownCatch實(shí)現(xiàn)好像在代碼上的體現(xiàn)并沒(méi)有太大差異，不急，我們接著往下看

join()實(shí)現(xiàn)原理

我們點(diǎn)進(jìn)去join的jdk源碼查看它的實(shí)現(xiàn)邏輯

public final void join() throws InterruptedException {
 ? ?join(0);
}
?
public final synchronized void join(long millis)
 ? ?throws InterruptedException {
 ? ? ? ?long base = System.currentTimeMillis();
 ? ? ? ?long now = 0;
?
 ? ? ? ?if (millis < 0) {
 ? ? ? ? ? ?throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
 ? ? ?  }
        // 調(diào)用join真正執(zhí)行的方法
 ? ? ? ?if (millis == 0) {
 ? ? ? ? ? ?while (isAlive()) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?wait(0);
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  } else {
 ? ? ? ? ? ?while (isAlive()) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?long delay = millis - now;
 ? ? ? ? ? ? ? ?if (delay <= 0) {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?break;
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ? ? ?wait(delay);
 ? ? ? ? ? ? ? ?now = System.currentTimeMillis() - base;
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  }
 ?  }
?

我們看到他的核心代碼就幾行

 while (isAlive()) {
 ? ? wait(0);
 }

這幾行代碼不難理解，通過(guò)不停的檢查join線程是否存活，如果線程狀態(tài)是活動(dòng)的，那么就一直等待下去（wait(0)表示永久等待），直到j(luò)oin線程中止后，線程的this.notifyAll()方法會(huì)被調(diào)用，不過(guò)調(diào)用notifyAll()方法是在JVM里實(shí)現(xiàn)的，所以在JDK里看不到。

Join()與countDownLatch比較

回到上一個(gè)問(wèn)題，join到底和countDownLatch有什么區(qū)別，countDownLatch底層使用了計(jì)數(shù)器來(lái)控制線程的喚醒，提供了更細(xì)粒度的線程控制，比如我們運(yùn)行了100個(gè)線程，但是只需要80個(gè)線程執(zhí)行結(jié)束就可以繼續(xù)下去，那么使用join就不合適了。

綜上所述 CountDownLatch相對(duì)于Join的優(yōu)勢(shì)：

CountDownLatch可以等待多個(gè)線程的完成，而Join只能等待一個(gè)線程。
CountDownLatch可以靈活地設(shè)置計(jì)數(shù)器的值，不僅僅限于線程數(shù)，可以根據(jù)需要自由控制。
CountDownLatch提供了更細(xì)粒度的線程間協(xié)作和控制，可以在任意位置進(jìn)行countDown()和await()的調(diào)用，更靈活地控制線程的流程。

CountDownLatch程序?qū)崿F(xiàn)

上面說(shuō)了很多CountDownLatch的示例和與join比較，也提了一下CountDownLatch底層的原理，下面就看一下如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的CountDownLatch

程序

我們先新建一個(gè)抽象類(lèi)，包含countDownLatch需要的參數(shù)和方法

public abstract class Latch {
 ? ?// 控制了多少線程完成后門(mén)閥才能打開(kāi)
 ? ?protected int limit;
?
 ? ?// 構(gòu)造函數(shù)
 ? ?public Latch(int limit){
 ? ? ? ?this.limit = limit;
 ?  }
?
 ? ?// 方法使得線程一直等待
 ? ?public abstract void await() throws InterruptedException;
?
 ? ?// 當(dāng)前任務(wù)線程完成工作之后調(diào)用該方法使得計(jì)數(shù)器減一
 ? ?public abstract void countDown();
?
 ? ?// 獲取當(dāng)前還有多少個(gè)線程沒(méi)有完成任務(wù)
 ? ?public abstract int getUnArrived();
?
}

然后實(shí)現(xiàn)這個(gè)抽象類(lèi)，并寫(xiě)入具體邏輯代碼

public class CountDownLatch extends Latch {
?
 ? ?private final Lock lock = new ReentrantLock();
 ? ?private final Condition condition = lock.newCondition();
?
?
 ? ?public CountDownLatch(int limit) {
 ? ? ? ?super(limit);
 ?  }
?
 ? ?@Override
 ? ?public void await() throws InterruptedException {
 ? ? ? ?lock.lock();
 ? ? ? ?while (limit > 0){
 ? ? ? ? ? ?condition.await();
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?lock.unlock();
 ?  }
?
 ? ?@Override
 ? ?public void countDown() {
?
 ? ? ? ?lock.lock();
 ? ? ? ?if(limit < 0){
 ? ? ? ? ? ?throw new IllegalStateException();
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?limit--;
 ? ? ? ?condition.signalAll();
?
 ? ? ? ?lock.unlock();
?
 ?  }
?
 ? ?@Override
 ? ?public int getUnArrived() {
 ? ? ? ?return limit;
 ?  }
}

測(cè)試

public class LatchDemo {
 ? ?public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ? ? ? ?Latch latch = new CountDownLatch(2);
?
 ? ? ? ?ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
?
 ? ? ? ?executorService.execute(()->{
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小明開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?latch.countDown(); ?// 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小明到達(dá)人民廣場(chǎng)");
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?executorService.execute(()->{
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小紅開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?latch.countDown(); ?// 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小紅到達(dá)人民廣場(chǎng)");
 ? ? ?  });
?
?
 ? ? ? ?latch.await();
 ? ? ? ?System.out.println("小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山");
?
 ? ? ? ?executorService.shutdown();
?
 ?  }
}

結(jié)果

小明開(kāi)始出發(fā)
小紅開(kāi)始出發(fā)
小明到達(dá)人民廣場(chǎng)
小紅到達(dá)人民廣場(chǎng)
小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山
?
Process finished with exit code 0

可以看到結(jié)果如前文一致，這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的CountDownLatch,當(dāng)然具體實(shí)現(xiàn)還有更多的細(xì)節(jié)，如有需要，請(qǐng)翻閱源碼。

總結(jié)

通過(guò)上面的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，我們可以看到CountDownLatch基于計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了多線程之間的門(mén)閥攔截，底層還是通過(guò)線程之間的通訊、鎖和計(jì)數(shù)器控制。

CyclicBarrier

除了使用CountDownLatch來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程之間的阻塞同步,也可以使用CyclicBarrier來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且CyclicBarrier提供了比CountDownLatch更強(qiáng)大的功能。

CyclicBarrier的字面意思是可循環(huán)使用的屏障。它提供了一種同步機(jī)制，使一組線程能夠在達(dá)到屏障時(shí)被阻塞，直到最后一個(gè)線程到達(dá)屏障時(shí)，屏障才會(huì)開(kāi)啟，所有被阻塞的線程才能繼續(xù)執(zhí)行。

網(wǎng)上找的一張示意圖

示例

還是用之前的例子，模擬小明和小紅去爬山，代碼如下，結(jié)果就不贅述了。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
?
 ? ?CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
?
 ? ?ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
?
 ? ?executorService.execute(()->{
 ? ? ? ?System.out.println("小明開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小明到達(dá)人民廣場(chǎng)");
 ? ? ? ? ? ?cyclicBarrier.await(); // 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ?  } catch (Exception e) {
 ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ?  }
?
 ?  });
 ? ?executorService.execute(()->{
 ? ? ? ?System.out.println("小紅開(kāi)始出發(fā)");
 ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("小紅到達(dá)人民廣場(chǎng)");
 ? ? ? ? ? ?cyclicBarrier.await(); // 計(jì)數(shù)器 -1
 ? ? ?  } catch (Exception e) {
 ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ?  }
 ?  });
 ? ?cyclicBarrier.await();
 ? ?System.out.println("小明和小紅都到達(dá)了人民廣場(chǎng)，開(kāi)始一起出發(fā)去爬山");
?
 ? ?executorService.shutdown();
?
}

不同的是，這里我設(shè)置了三個(gè)屏障點(diǎn) cyclicBarrier.await();，而使用CountDownLatch只用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器減一操作 + 一個(gè)wait()方法，使用起來(lái)很相似，我們說(shuō)cyclicBarrier 比 CountDownLatch 功能更強(qiáng)大，那么強(qiáng)大在哪里呢？

重置計(jì)數(shù)器和獲取狀態(tài)

重置計(jì)數(shù)器

CountDownLatch的計(jì)數(shù)器只能使用一次，而CyclicBarrier的計(jì)數(shù)器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能處理更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。例如，如果計(jì)算發(fā)生錯(cuò)誤，可以重置計(jì)數(shù)器，并讓線程重新執(zhí)行一次。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
?
 ? ?final int threadNum = 3;
 ? ?ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(threadNum);
 ? ?CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadNum, () -> {
 ? ? ? ?System.out.println("所有線程都到達(dá)屏障");
 ?  });
?
 ? ?for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
 ? ? ? ?executorService.execute(() -> {
 ? ? ? ? ? ?System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到達(dá)屏障");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?cyclicBarrier.await();
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  });
 ?  }
?
 ? ?Thread.sleep(2000); // 等待一段時(shí)間，確保所有線程都到達(dá)屏障
?
 ? ?cyclicBarrier.reset(); // 重置屏障
?
 ? ?System.out.println("屏障已重置");
?
 ? ?for (int i = 0; i < threadNum-1; i++) {
 ? ? ? ?executorService.execute(() -> {
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ? ?System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到達(dá)屏障");
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?cyclicBarrier.await();
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  });
 ?  }
?
 ? ?System.out.println("第二次進(jìn)入 循環(huán)屏障");
 ? ?cyclicBarrier.await();
 ? ?System.out.println("第二次循環(huán)  邁過(guò)屏障");
?
?
 ? ?executorService.shutdown();
?
?
}

結(jié)果

pool-1-thread-2 到達(dá)屏障
pool-1-thread-3 到達(dá)屏障
pool-1-thread-1 到達(dá)屏障
所有線程都到達(dá)屏障
屏障已重置
第二次進(jìn)入循環(huán)屏障
pool-1-thread-2 到達(dá)屏障
pool-1-thread-1 到達(dá)屏障
所有線程都到達(dá)屏障
第二次循環(huán) 邁過(guò)屏障
?
Process finished with exit code 0

先說(shuō)一下CyclicBarrier提供的另一個(gè)構(gòu)造函數(shù)CyclicBarrier（int parties，Runnable barrierAction），用于在線程到達(dá)屏障時(shí)，優(yōu)先執(zhí)行barrierAction，也就是上方代碼中用到的這幾段

CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(threadNum, () -> {
 ? ?System.out.println("所有線程都到達(dá)屏障");
});

這里用于提示所有的線程到達(dá)屏障。緊接著是比較常規(guī)的代碼，循環(huán)構(gòu)造線程并在線程中執(zhí)行了 cyclicBarrier.await();到達(dá)屏障。重點(diǎn)是 cyclicBarrier.reset();重置屏障后，我留下一個(gè)屏障給主線程測(cè)試使用，而在新構(gòu)造的線程中停留1s, System.out.println("第二次循環(huán) 邁過(guò)屏障");打印在 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到達(dá)屏障");之后，說(shuō)明屏障計(jì)數(shù)器已經(jīng)重置并且生效了。

獲取狀態(tài)

除了上述的基本功能外，CyclicBarrier也提供了以下API用來(lái)查看狀態(tài)，